JP4136973B2 - 遊動環形メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、火力発電所の缶水循環ポンプ等の軸封手段として高圧条件下で好適に使用されるメカニカルシールであって、回転軸に設けられた回転環とシールケースに軸線方向移動可能に且つ回転環方向に附勢された状態で設けられた静止環との間に、遊動環を静止環に対する相対回転が阻止された状態で挟圧保持させてなる遊動環形メカニカルシールに関するものである。

従来の遊動環形メカニカルシールとしては、図３及び図４に示す如く、回転軸に固定された回転環６とシールケーシングに軸線方向移動可能に保持され且つスプリングにより回転環方向に押圧附勢された静止環４との間に、両端側部分がほぼ対称形状をなす遊動環８を挟圧保持させて、回転環６と遊動環８との接触面であるシール面６ａ，８３ａの相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分の外周側領域である被密封流体領域Ａとその内周側領域である非密封流体領域（大気領域）Ｂとを遮蔽シールするように構成されたもの（以下「従来シール」という）が周知である（例えば、特許文献１参照）。なお、静止環４と遊動環８とは相対回転不能に連結されていて、両環４，８の接触面である押圧面４ａ，８２ａは相対回転しない。

ところで、遊動環８を介在させることなく回転環と静止環とを直接に接触させて、回転環と静止環との相対回転摺接作用により被密封流体をシールさせるように構成された一般的なメカニカルシールにあっては、これを高圧条件下で使用した場合、回転環と静止環との接触面たるシール面の平行性が損なわれ、良好なシール機能を発揮できない。すなわち、静止環は回転環に追従できるようにシールケーシングに軸線方向移動可能に保持されたものであるから、シールケースで保持されている静止環の基端側部分では被密封流体領域の流体圧力による影響を殆ど受けないが、回転環に追従するためフリーな状態にある静止環の先端側部分つまりシール面側部分ではその影響（圧力歪）が大きい。したがって、静止環における軸線方向の圧力歪分布が不均一となり、つまり圧力歪が静止環における基端側部分と先端側部分とで大きく異なり、静止環が軸線に対して大きく歪むことになる。その結果、静止環のシール面が傾いて、回転環のシール面との平行性が著しく損なわれることになる。

これに対して、従来シールにおいては、回転環６との相対回転摺接作用によりシール機能を発揮するための遊動環８が、回転環６と静止環４との間に挟圧保持されたものであり且つ両端側部分がほぼ対称形状をなすものであるから、被密封流体領域Ａの流体圧力（以下、単に「流体圧力」という）による影響を軸線方向においてバランスよく受けることなる。すなわち、遊動環８に生じる圧力歪は両端側部分でほぼ同一となり、軸線に対して大きく歪むことがない。したがって、高圧条件下においても、遊動環８のシール面８３ａが回転環６のシール面６ａに対して傾くようなことがなく、シール面６ａ，８３ａの平行性が確保され、良好なシール機能を発揮することができる。
特開昭５０−１４９８６０号公報（第４図）

しかし、従来シールによれば、これを流体圧力が極めて高く且つ大きな圧力変動が生じる回転機器（例えば、火力発電所の缶水循環ポンプ）の軸封手段として使用する場合には、つまり静止環と回転環とによる遊動環８の挟圧力が極めて高くなる高圧条件下で使用する場合には、以下に述べる如く、シール面６ａ，８３ａの平行性が損なわれて、シール面６ａ，８３ａ間からの異常漏れや異常摩耗を生じ、良好なシール機能を発揮し得ない。

すなわち、遊動環８は、流体圧力の上昇に伴って径方向に収縮変形し、その収縮変形（弾性変形）は流体圧力の降下に伴って解消，回復されることになるが、遊動環８と回転環６等との材質や保持構造等の相違（例えば、遊動環８は、一般に回転環６等に比して変形し易いカーボン等の軟質材で構成されており、また流体圧力による径方向変形を、回転軸に嵌合保持された回転環６等と異なって、阻止，抑制するような保持手段を有しないから、遊動環８の収縮変形は回転環６や静止環４に比して著しく大きくなる。

また、遊動環８の押圧面８２ａ及びシール面８３ａには、図３（Ａ）に示す如く、軸線方向の接面荷重Ｗ_１ ，Ｗ_２ 及び径方向の摩擦力Ｆ_１ ，Ｆ_２ が作用することになる。ここに、押圧面８２ａに作用する接面荷重（以下「第一接面荷重」という）Ｗ_１ は、静止環４を回転環方向に押圧するスプリングの附勢力（バネ力）と静止環４の背面に作用する流体圧力（背圧）とによるものであり、シール面８３ａに作用する接面荷重（以下「第二接面荷重」という）Ｗ_２ は、第一接面荷重Ｗ_１ による回転環６への押圧反力とシール面６ａ，８３ａ間に形成される流体膜によるシール面間開放力（シール面６ａ，８３ａ間を押し拡げようとする流体膜圧）とによるもの（バランス比及び臨界バランスを考慮する）である。したがって、両接面荷重Ｗ_１ ，Ｗ_２ は、図５（Ａ）に示す如く、ほぼ流体圧力に比例して増減し且つＷ_１ ＞Ｗ_２ の関係にある。なお、遊動環８の両端面に作用する流体圧力は、遊動環８の両端側部分がほぼ対称形状をなすことから、方向逆向きにして大きさがほぼ同一であり、互いに相殺されることになる。また、押圧面８２ａに作用する摩擦力（以下「第一摩擦力」という）Ｆ_１ 及びシール面８３ａに作用する摩擦力（以下「第二摩擦力」という）Ｆ_２ は、流体圧力の変動に伴う遊動環８の径方向変形によって静止環４及び回転環６との接触部分に生じる滑りを阻止すべく作用する摩擦抵抗力であり、押圧面４ａ，８２ａ間及びシール面６ａ，８３ａ間の最大静止摩擦力の値を上限値として、接面荷重Ｗ_１ ，Ｗ_２ と同様に、ほぼ流体圧力に比例して増減する。したがって、遊動環８の回転環６及び静止環４に対する静止摩擦係数をμとすると、押圧面４ａ，８２ａ間の最大静止摩擦力（以下「第一最大静止摩擦力」という）はμ・Ｗ_１ で与えられ、シール面６ａ，８３ａ間の最大静止摩擦力（以下「第二最大静止摩擦力」という）はμ・Ｗ_２ で与えられることになる。

而して、回転機器の運転状況の変化や運転開始等により流体圧力が上昇する昇圧状況下においては、図３（Ａ）に示す如く、遊動環８の押圧面８２ａ及びシール面８３ａに接面荷重Ｗ_１ ，Ｗ_２ と外径方向の摩擦力Ｆ_１ ，Ｆ_２ とが作用することになり、これらの接面荷重Ｗ_１ ，Ｗ_２ 及び摩擦力Ｆ_１ ，Ｆ_２ は流体圧力の上昇に伴って増大していく。そして、各摩擦力Ｆ_１ ，Ｆ_２ が各々最大静止摩擦力μ・Ｗ_１ ，μ・Ｗ_２ に達すると、遊動環８と静止環４又は回転環６との間で径方向の滑りが生じることになる。

しかし、上記した如くＷ_１ ＞Ｗ_２ であって、μ・Ｗ_１ ＞μ・Ｗ_２ であることから、流体圧力の上昇過程において、まず、第二摩擦力Ｆ_２ が第二最大静止摩擦力μ・Ｗ_２ に達して、シール面６ａ，８３ａ間で滑りが生じることになる。一方、第一摩擦力Ｆ_１ はＦ_１ ＜μ・Ｗ_１ の範囲にあり、押圧面４ａ，８２ａ間では滑りを生じない。したがって、図３（Ｂ）に示す如く、遊動環８のシール面８３ａが回転環６のシール面６ａに対して内径方向に滑って、シール面６ａ，８３ａが内径側（大気領域Ｂ側）に開くような状態（以下「外径当たり状態」という）に遊動環８が傾くことなる。

そして、この状態から更に昇圧されていくと、第一摩擦力Ｆ_１ が第一最大静止摩擦力μ・Ｗ_１ に達して、押圧面４ａ，８２ａ間において滑りを生じることになる。その結果、図３（Ｃ）に示す如く、遊動環８の傾きが解消されて、シール面６ａ，８３ａが平行状態（以下「全面当たり状態」という）に復帰することになる。

ところで、第二摩擦力Ｆ_２ は、第二最大静止摩擦力μ・Ｗ_２ に達すると、シール面６ａ，８３ａ間で滑りが生じることにより、一時的にＦ_２ ≒０となるまで低下することになる。そして、爾後、第二摩擦力Ｆ_２ は、流体圧力の上昇に伴ってＦ_２ ≒０から増大していき、再び第二最大静止摩擦力μ・Ｗ_２ に達して滑りを生じて、Ｆ_２ ≒０まで減少する。すなわち、第二摩擦力Ｆ_２ は、図５（Ｂ）に実線で示す如く、流体圧力の上昇に伴いＦ_２ ≒０とＦ_２ ＝μ・Ｗ_２ との間を鋸刃状にスティックスリップしながら増加することになる。また、第一摩擦力Ｆ_１ も、同様に、第一最大静止摩擦力μ・Ｗ_１ に達すると、押圧面４ａ，８２ａ間で滑りが生じることにより、第一摩擦力Ｆ_１ は一時的にＦ_１ ≒０となるまで低下することになる。そして、爾後、第一摩擦力Ｆ_１ は、流体圧力の上昇に伴ってＦ_１ ≒０から増大していき、再び第一最大静止摩擦力μ・Ｗ_１ に達して滑りを生じて、Ｆ_１ ≒０まで減少する。すなわち、第一摩擦力Ｆ_１ は、図５（Ａ）に実線で示す如く、第二摩擦力Ｆ_２ と同様に、流体圧力の上昇に伴いＦ_１ ≒０とＦ_１ ＝μ・Ｗ_１ との間を鋸刃状にスティックスリップしながら増加することになる。ここに、スティックスリップのサイクル（ピッチ）は、第二摩擦力Ｆ_２ については小さく、第一摩擦力Ｆ_１ については大きい。

したがって、流体圧力が所定の最高圧に達するまでの昇圧過程において、シール面６ａ，８３ａ間での滑りと押圧面４ａ，８２ａ間での滑りとが、交互に繰り返されることになり、シール面６ａ，８３ａの相対運動状態が、流体圧力如何で、外径当たり状態（例えば図３（Ｂ）に示す状態）となったり、全面当たり状態（例えば図３（Ｃ）に示す状態）となったり、安定しないことになる。

さらに、このようにシール面６ａ，８３ａの相対運動状態が安定しない点は、運転状況の変化や運転停止等により流体圧力が最高圧から下降していく降圧状況下においても、同様である。

すなわち、流体圧力が最高圧力から下降していくと、昇圧時に生じた遊動環８の径方向における収縮変形（弾性変形）が流体圧力の減少と共に除々に回復していき、遊動環８が径方向に拡大変形していくことになる。したがって、降圧に伴い摩擦力Ｆ_１ ，Ｆ_２ も次第に小さくなっていき、やがて逆向きに作用するようになる。つまり、昇圧時における摩擦力Ｆ_１ ，Ｆ_２ の作用方向（外径方向）を正とすると、遊動環８の押圧面８２ａ及びシール面８３ａには負の摩擦力−Ｆ_１ ，−Ｆ_２ （以下、負の第一摩擦力「−Ｆ_１ 」を「第一摩擦力ｆ_１ 」といい、負の第二摩擦力「−Ｆ_２ 」を「第二摩擦力ｆ_２ 」という）が作用することになり、爾後は、図４（Ｄ）に示す如く、摩擦力ｆ_１ ，ｆ_２ が流体圧力の減少に伴って−μ・Ｗ_１ ≦ｆ_１ ＜０，−μ・Ｗ_２ ≦ｆ_２ ＜０の範囲で増大（負方向に増大）していく。

さらに、この状態から流体圧力が降圧していくと、まず第二摩擦力ｆ_２ が第二最大静止摩擦力−μＷ_２ に達して、図４（Ｅ）に示す如く、遊動環８のシール面８３ａが回転環６のシール面６ａに対して外径方向に滑って、シール面６ａ，８３ａが外径側（被密封流体領域Ａ側）に開くような状態（以下「内径当たり状態」という）となる。

そして、降圧が更に進行すると、第一摩擦力ｆ_１ が第一最大静止摩擦力−μ・Ｗ_１ に達して、押圧面４ａ，８２ａ間で滑りが生じ、図４（Ｆ）に示す如く、遊動環８の傾きがほぼ解消されて、シール面６ａ，８３ａがほぼ平行の全面当たり状態に復帰することになる。

ところで、降圧時においても、摩擦力ｆ_１ ，ｆ_２ は、最大静止摩擦力−μ・Ｗ_１ ，−μ・Ｗ_２ に達すると、押圧面４ａ，８２ａ間又はシール面６ａ，８３ａ間で滑りが生じることにより、一時的にｆ_１ ≒０，ｆ_２ ≒０となるまで低下し、爾後、流体圧力の下降に伴って増大していき、再び最大静止摩擦力−μ・Ｗ_１ ，−μ・Ｗ_２ に達することになり、かかる摩擦力増減が繰り返される。すなわち、摩擦力ｆ_１ ，ｆ_２ は、図５（Ａ）（Ｂ）に鎖線で示す如く、流体圧力の上昇に伴いｆ_１ ≒０，ｆ_２ ≒０とｆ_１ ≒−μ・Ｗ_１ ，ｆ_２ ＝−μ・Ｗ_２ との間を鋸刃状にスティックスリップしながら増加することになる。スティックスリップのサイクル（ピッチ）も、昇圧時におけると同様に、第二摩擦力ｆ_２ については小さく、第一摩擦力ｆ_１ については大きい。

したがって、流体圧力が所定の最低圧に達するまでの降圧過程においても、シール面６ａ，８３ａ間での滑りと押圧面４ａ，８２ａ間での滑りとが、交互に繰り返されることになり、シール面６ａ，８３ａの相対運動状態が、流体圧力如何で、内径当たり状態（例えば図４（Ｅ）に示す状態）となったり、全面当たり状態（例えば図４（Ｆ）に示す状態）となったり、安定しないことになる。

このように、従来シールでは、押圧面４ａ，８２ａ間の第一最大静止摩擦力とシール面６ａ，８３ａ間の第二最大静止摩擦力とが大きく異なるために、圧力変動により遊動環８と回転環６及び静止環４との接触抵抗バランスが崩れて、昇圧状況及び降圧状況に応じて遊動環８の傾き動作とその是正動作とが繰り返されることになり、その結果、シール面６ａ，８３ａの平行性を担保することができず、遊動環シール面８３ａの回転環シール面６ａへの接触形態が変動するのである。そして、かかる接触形態の変動により、シール面（特に、回転環シール面６ａに比して軟質の遊動環シール面８３ａ）の異常摩耗が生じるのである。また、シール面が異常摩耗すると、シール面６ａ，８３ａが適正に接触し得なくなり、シール面６ａ，８３ａ間からの異常漏れが生じることになる。さらに、シール面が異常摩耗しない段階においても、シール面６ａ，８３ａが大気領域Ｂ側に開く外径当たり状態の場合はともかく、シール面６ａ，８３ａが被密封流体領域Ａ側に開く内径当たり状態となると、シール面６ａ，８３ａ間から大量漏れが生じることになる。すなわち、このような内径当たり状態では、いわゆるテーパフェース形の非接触シールにおけると同様に、シール面６ａ，８３ａが非接触となり、遊動環シール面８３ａの回転環シール面６ａに対するテーパ量の３乗に比例した大量の漏れが生じることになる。

しかも、従来シールでは、流体圧力が極めて高い場合、流体圧力によって回転環６も変形することになり、これによってもシール面６ａ，８３ａの平行性が損なわれることなり、上記した如く圧力変動による遊動環８と静止環４及び回転環６との接触抵抗バランスが崩れることによってシール面６ａ，８３ａの平行性が損なわれることと相俟って、良好なシール機能を到底期待することができない。

本発明は、このような問題を解決して、流体圧力が極めて高く且つ大きく変動する条件下においても、回転環と遊動環との接触面であるシール面の平行性を適正に確保しておくことができ、シール面の異常摩耗や異常漏れを生じさせることなく、良好なシール機能を発揮させることができる遊動環形メカニカルシールを提供するものである。

本発明は、回転軸に設けられた回転環とシールケースに軸線方向移動可能に且つ回転環方向に附勢された状態で設けられた静止環との間に、遊動環を静止環に対する相対回転が阻止された状態で挟圧保持させてなる遊動環形メカニカルシールにおいて、上記の目的を達成すべく、特に、回転環を、第一Ｏリングを介して当該Ｏリングの弾性変形範囲において軸線方向に変位可能な状態で且つ第二Ｏリングを介して当該Ｏリングの弾性範囲において径方向に変位可能な状態で回転軸に保持しておくこと、第一Ｏリングを、回転環に作用する軸線方向の押圧力を吸収緩和するクッション材として機能するものであって回転環の径方向変位に対してはこれを妨げないように回転環との間で滑りを生じる低摩擦性弾性材（回転環に対して摩擦係数の低い弾性材）で構成されたものとしておくこと、及び第二Ｏリングを、回転環の径方向変位に拘わらずこれと回転軸との間をシールする二次シールとして機能するものとしておくこと、を提案するものである。

かかる遊動環形メカニカルシールにあって、前記滑りを生じる第一Ｏリングは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成しておくことが好ましい。

また、遊動環と静止環との接触面の少なくとも一方に、ＰＴＦＥ等による低摩擦性材膜を被覆形成しておくことが好ましく、低摩擦性材膜の表面粗さは、ラッピング等により、十点平均高さ（Ｒｚ）２μｍ以下（一般には０．５〜２μｍであり、１μｍ程度が最適である）となるようにしておくことが好ましい。Ｒｚ＞２μｍでは、膜の材質等に拘らず、遊動環と静止環との間での円滑な滑りを期待できない。また、低摩擦性材膜（ポリテトラフルオロエチレン膜等）の膜厚は１０〜２０μｍであることが好ましい。膜厚が２０μｍを超えると、相手環との接触面硬度が低下するため、相手環が低摩擦性材膜に食い込んで、遊動環との滑りが円滑に行なわれないし、逆に、膜厚が１０μｍ未満であると、相手環との接触摩耗により低摩擦性材膜が部分的に摩滅したり剥離したりする虞れがある。

また、本発明の遊動環形メカニカルシールは、回転機器への組込及び取り外し作業を容易ならしめるように、シールケース及びこれに取り付けられる部材群からなる静止側密封要素と回転軸に挿通固定されるスリーブ及びこれに取り付けられる部材群からなる回転側密封要素とを、静止環と回転環との間に遊動環を挟圧保持させた状態で、着脱自在なセットプレートにより一体連結しうるように構成したカートリッジ形のメカニカルールとしておくことが好ましい。

本発明の遊動環形メカニカルシールによれば、シールすべき流体の圧力が極めて高く且つそれが大きく変動するような過酷な圧力条件下においても、流体圧力によって回転環と遊動環との接触面であるシール面の平行性が損なわれるようなことがなく、シール面の異常摩耗や異常漏れを効果的に防止して、良好なシール機能を発揮させることができる。したがって、本発明の遊動環形メカニカルシールは、火力発電所の缶水循環ポンプ等の軸封手段として好適に使用できるものであり、その実用的価値極めて大なるものである。

図１及び図２は本発明に係る遊動環形メカニカルシールの一例を示したもので、図１は当該メカニカルシールを回転機器に組み込んだ状態を示す縦断側面図であり、図２はその要部の拡大図である。

すなわち、図１に示された本発明に係る遊動環形メカニカルシールは、シールすべき流体の圧力が極めて高く且つ運転状況により大きな圧力変動を生じる回転機器（例えば、火力発電所の缶水循環ポンプ）の軸封手段として使用されるもので、当該回転機器の軸封部ケーシング（例えば、上記缶水循環ポンプのポンプケーシング）１に取り付けられたシールケース３と、軸封部ケーシング１外にこれを貫通して突出する回転軸（例えば、上記缶水循環ポンプのインペラ軸）２に嵌挿固定されたスリーブ５と、静止環４に対向して回転軸２に設けられた回転環６と、シールケース３と静止環４との間に介装されたスプリング７と、両環４，６間に挟圧保持された遊動環８と、シールケース３とスリーブ５とを連結するセットプレート９とを具備して、回転環６と遊動環８との相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分の外周側領域である被密封流体領域（当該回転機器の機内領域に連通する領域）Ａと非密封流体領域（当該回転機器の機外領域である大気領域）Ｂとを遮蔽シールするように構成されたカートリッジ形のものである。なお、以下の説明において前後とは、図１及び図２における左右を意味するものとする。また、軸線とは回転軸２の軸線をいうものとする。

シールケース３は、図１に示す如く、軸封部ケーシング１から後方に突出する回転軸部分２ａを同心状に囲繞した状態で、軸封部ケーシング１の後端部に取り付けられた円筒体形状をなすものであり、軸封部ケーシング１に当接，係合する円筒状の本体部３１と、その後端内周部に一体形成された円環状の壁部３２と、壁部３２の前面部に取り付けられたスプリングリテーナ３３とからなる。スプリングリテーナ３３は、壁部３２に取り付けられた円環状のスプリング保持部３３ａとその内周側端部から前方に突出する円筒状の静止環保持部３３ｂとからなる。なお、シールケース３には、クエンチング液（水）３４の給排路３５，３６及びドレン３７が形成されている。

静止環４は、図１に示す如く、シールケース３にＯリング１０及びドライブピン１１を介して軸線方向移動可能に且つ相対回転不能に保持されている。すなわち、静止環４は、その基端部分（後端部分）をスプリングリテーナ３３の静止環保持部３３ｂにＯリング１０を介して嵌合させることにより、シールケース３に、これとの間をＯリング１０によりシール（二次シール）された状態で、軸線方向移動可能に保持されている。また、静止環４は、その基端部に軸線と平行する複数のドライブピン（一のみ図示）１１を突設すると共に各ピン１１をスプリングリテーナ３３のスプリング保持部３３ａに形成した係合凹部１２に係合させることによって、所定範囲での軸線方向移動が許容された状態でシールケース３に対する相対回転が阻止されている。なお、静止環４は、後述する低摩擦性材膜４１との接着性等を考慮して、硬質の金属材（例えば、ステンレス鋼）で構成されている。

スリーブ５は、図１に示す如く、前記回転軸部分２ａに挿通される円筒状の本体部５１と、本体部５１の先端部（前端部）に形成された円環状の第一保持部５２と、第一保持部５２の外周部から後方へと突出する円筒状の第二保持部５３とからなり、本体部５１の基端部分（後端部分）を除いてシールケース３内に位置させた状態で、回転軸２に嵌挿固定されている。すなわち、シールケース３から後方に突出する本体部５１の基端部分に、回転軸２に挿通させたストッパーリング１３を適当数の第一セットスクユリュー１４により嵌合固着すると共に、ストッパーリング１３を適当数の第二セットスクユリュー１５により回転軸２に固定することによって、スリーブ５は回転軸２に着脱可能に固定されている。なお、第一保持部５２の内周部には適当数のＯリング溝が形成されていて、このＯリング溝に係合保持させたＯリング１６により、回転軸２とスリーブ５との間がシール（二次シール）されている。なお、スリーブ５の先端部（前端部）には、シールケース３との間でラビリンスシールを構成するためのラビリンスシール環５４が取り付けられている。

回転環６は、図１に示す如く、複数のＯリング１７，１８を介して、これらＯリング１７，１８の弾性変形範囲において軸線方向及び径方向（軸線方向に直交する方向）に変位可能（ないし変形可能）な状態で回転軸２に保持されている。すなわち、回転環６は、図１及び図２に示す如く、スリーブ５における本体部５１と第二保持部５３との対向周面間に形成される環状空間に、第一保持部５２との間に介在させた第一Ｏリング１７の弾性変形範囲で軸線方向の変位を許容された状態で且つ第二保持部５３との間に介在させた第二Ｏリング１８の弾性変形範囲で径方向の変位を許容された状態で、嵌合保持されている。なお、回転環６の内周面とこれに対向する本体部５１の外周面との間には、図２に示す如く、回転環６の径方向変位，変形を許容しうるに充分な環状隙間５５が形成されている。

すなわち、第一Ｏリング１７は、図２に示す如く、第一保持部５２の後端面に形成したＯリング溝に係合保持されていて、回転環６の背面（前端面）を当該第一保持部５２の後端面との間に若干の間隙を有した状態で受け止めている。第一Ｏリング１７は、回転環６に作用する軸線方向の押圧力を吸収緩和するクッション材として機能するものであり、回転環６の径方向変位に対してはこれを妨げないように滑りを生じるものである。したがって、第一Ｏリング１７は、回転環６の軸線方向変位に対してクッション機能を発揮しうるに充分な弾性力を有する弾性材であって、回転環６に対する摩擦係数が低く回転環６の径方向変位に対して容易に滑りを生じうる低摩擦性材で構成しておくことが必要であり、この例ではポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成されている。また、第二Ｏリング１８は、図２に示す如く、回転環６の径方向変位を許容すべく弾性変形しうる状態で、回転環６と第二保持部５３との対向周面間に挟圧保持されており、回転環６の径方向変位に拘らず、スリーブ５（第二保持部５３）と回転環６との間をシールする二次シールとして機能する。第二Ｏリング１８は二次シールとして機能しうるに十分な弾性材で構成しておけばよく、この例では、二次シールとして機能する他のＯリング１０，１６，２５も含めて、フッ素ゴム（ＦＫＭ）で構成してある。なお、回転環６はセラミックス等の硬質材で構成されているが、この例では、回転環６を炭化珪素で構成し、その外周部に金属材製（チタン等）の補強リング１９を嵌合固着してある。補強リング１９は、回転環６の外周部であって第二Ｏリング１８が接触する基端部分（前端部分）を除く部分に焼嵌め等により嵌合固着されており、この補強リング１９に形成した係合孔２０に第二保持部５３に螺着させたドライブピン２１を係合させることによって、回転環６の回転軸２つまりスリーブ５に対する相対回転を阻止している。係合孔２０は、ドライブピン２１が軸線方向及び径方向に余裕をもって係合しうる大きさのものとされていて、両者２０，２１の係合作用によっては、第一及び第二Ｏリング１７，１８の弾性変形による回転環６の径方向及び軸線方向への変位が妨げられないように工夫されている。

スプリング７は、図１に示す如く、スプリングリテーナ３３のスプリング保持部３３ａに周方向に等間隔を隔てて形成した適当数の係合凹部２２に保持されており、静止環４の背面（後端面）を回転環方向（前方）に押圧附勢するものである。

遊動環８は、図１及び図２に示す如く、円環状の本体部８１とその内周側の前後端部に一体形成されたほぼ同一の円環状をなす押圧部８２及びシール部８３とからなるもので、押圧部８２の端面である押圧面８２ａが静止環４の先端面（前端面）である押圧面４ａに接触すると共にシール部８３の端面であるシール面８３ａが回転環６の先端面（後端面）であるシール面６ａに接触する状態（図２参照）で、スプリング７による附勢力（及び後述する背圧）によって、静止環４と回転環６と間に挟圧保持されている。遊動環８は、静止環４の前端部に周方向に等間隔を隔てて突設した適当数のドライブピン２３を本体部８１に形成した係合孔２４に係合させることにより、静止環４に、軸線方向及び径方向に所定範囲での相対変位が許容された状態で、相対回転不能に保持されている。静止環４と遊動環８の本体部８１との軸線方向における対向端面間には、両環４，８間をシール（二次シール）するＯリング２５が挟圧状に介在されている。遊動環８の本体部８１には、周方向に等間隔を隔てて軸線方向に貫通する適当数の連通孔２６が形成されている。なお、遊動環８は回転環６の構成材より軟質の材料で構成されており、この例ではカーボンで構成されている。

而して、静止環４と遊動環８との接触面である押圧面４ａ，８２ａの少なくとも一方には低摩擦性材膜４１が被覆形成されている。この例では、図２に示す如く、静止環４における遊動環８との接触部分にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる低摩擦性材膜（ポリテトラフルオロエチレン膜）４１を形成して、この膜４１の表面を押圧面４ａとなしている。押圧面４ａを構成する低摩擦性材膜４１は、静止環４に被覆形成した上で、その表面粗さが十点平均高さ（Ｒｚ）２μｍ以下となるように表面処理される。低摩擦性材膜４１の表面粗さつまり押圧面４ａの表面粗さをＲｚ２μｍ以下としておくことによって、押圧面４ａ，８２ａ間における静止摩擦係数μ´を、シール面６ａ，８３ａ間における静止摩擦係数μに対する比率μ´／μが前述した接面荷重の逆比Ｗ_２ ／Ｗ_１ と同等ないしは近似するように、可及的に小さくすることができる。Ｒｚ＞２μｍでは、押圧面４ａ，８２ａ間での円滑な滑りを期待できず、静止摩擦係数μ´を上記した条件を満足する程度にまで小さくすることができない。ところで、低摩擦性材膜４１の表面処理は一般にラッピングにより行なわれ、通常、Ｒｚ＝０．５〜２μｍの表面粗さとされる。この例では、低摩擦性材膜４１の表面粗さをラッピングによりＲｚ＝１μｍとしてある。また、低摩擦性材膜４１の膜厚は１０〜２０μｍに設定される。静止環４はポリテトラフルオロエチレン膜４１との接着性を確保するためにステンレス鋼等の金属材で構成されているが、膜厚が１０μｍ未満では金属母材（静止環４）からの剥離等を生じる虞れがあり、膜厚が２０μｍを超えると、膜硬度が低く遊動環８の接触部分が膜４１に食い込む虞れがあるからである。膜厚が２０μｍ以下（１０μｍ以上）であると、金属母材の硬度が膜硬度として反映することになり、膜自体の硬度不足が補われる。なお、低摩擦性材膜４１は、少なくとも、被密封流体領域Ａの圧力変動により遊動環押圧面８２ａが径方向に相対変位する静止環押圧面４ａ上の環状領域を含むような範囲で形成しておくことが必要であるが、この例では、図２に示す如く、Ｏリング２５が接触する静止環押圧面４ａ上の領域をも含む広範囲に亘って低摩擦性材膜４１を形成してある。

セットプレート９は、図１に示す如く、一端部をスリーブ５の本体部５１に形成した凹部２７に係合させた状態で、他端部をシールケース３の壁部３２にボルト２８により取り付けることにより、シールケース３とスリーブ５とを軸線方向相対移動不能に且つ相対回転不能に連結するものであり、シールケース３及びこれに取り付けられる部材群（静止環４及びスプリング７等）からなる静止側密封要素と回転軸２に挿通固定されるスリーブ５及びこれに取り付けられる部材群（回転環６等）からなる回転側密封要素とを、静止環４と回転環６との間に遊動環８を挟圧保持させた状態で、一体連結するものである。セットプレート９により連結された状態におけるシールケース３とスリーブ５との軸線方向の位置関係は、つまり遊動環８を挟圧した状態における静止環４と回転環６との軸線方向の位置関係は、当該遊動環形メカニカルシールの運転状態におけると同一となるように設定される。したがって、セットプレート９により、遊動環８を含む両密封要素を当該遊動環形メカニカルシールの使用状態と同一形態に組み立てることができる。なお、セットプレート９は、当該遊動環形メカニカルシールを軸封部ケーシング１及び回転軸２に組み込んだ後において、取り外しておくものであり、その数は適宜に設定される。

ところで、遊動環形メカニカルシールの軸封部ケーシング１及び回転軸２への取り付けは、通常、遊動環８を含む静止側密封要素及び回転側密封要素を構成する多数の構成部材を個別に一定の手順で組み込むことによって行われる。そして、これら構成部材相互の位置関係は、当該メカニカルシールの機能を決定する重要な要素であり、各構成部材の組み込みは、かかる位置関係が適正となるように行う必要がある。したがって、これらの多くの構成部材を適正な位置関係を維持した状態で回転機器に組み込む作業は極めて困難であり、組み込み不良により所定のシール機能が発揮されない場合も稀ではない。同様に、回転機器からの取り外し，再組み込みを必要とするメンテナンス作業も面倒且つ困難である。

しかし、上記した如きカートリッジ形の遊動環形メカニカルシールとしておくと、セットプレート９により当該メカニカルシールの使用形態と同一形態に組み立てた状態で回転機器に対する取り付け及び取り外しを行なうことができるから、未熟練者でも、回転機器への組み込み作業を適正且つ容易に行なうことができ、メンテンナンス作業も容易に行なうことができる。かかる点は、一般的なメカニカルシールの構成に更に遊動環８を付加した複雑な構成をなす遊動環形メカニカルシールにおいて、実用上、極めて大きなメリットとなる。

以上のように構成された遊動環形メカニカルシールでは、回転環６が第一及び第二Ｏリング１７，１８を介して軸線方向及び径方向への変位を許容された状態で回転軸２（スリーブ５）に保持されているから、流体圧力（被密封流体領域Ａの流体圧力）が極めて高く且つ大きな圧力変動を生じる場合にも、回転環６と遊動環８との接触面であるシール面６ａ，８３ａの平行性を確保して、良好なシール機能を発揮することができる。

すなわち、流体圧力が極めて高い場合、回転環６は流体圧力によって径方向及び／又は軸線方向に変形（歪）を生じて、シール面６ａが不適正な形態となる虞れがあるが、かかる変形は第一Ｏリング１７及び／又は第二Ｏリング１８の弾性によって吸収されることになり、回転環６のシール面６ａの変形により遊動環８のシール面８３ａとの平行性が損なわれるようなことがない。ところで、回転環６に作用する大きな軸線方向力（回転環６に直接に作用する流体圧力並びに静止環４の背圧及びスプリング圧による）によって、回転環６と第一Ｏリング１７との接触圧が高く両者６，１７間の摩擦力が大きくなるため、第二Ｏリング１８による回転環６の径方向変形の吸収緩和作用が円滑に行なわれず、シール面６ａ，８３ａの平行性が損なわれる虞れがあるが、このような虞れは、第一Ｏリング１７を低摩擦性材（この例では、ＰＴＦＥ）で構成しておくことによって全く生じない。すなわち、第一Ｏリング１７がＰＴＦＥの如き低摩擦性材で構成されているため、回転環６は、これに径方向力が作用した場合、第一Ｏリング１７との間で滑りを生じて容易に径方向へと変位，変形し、その変位，変形は第二Ｏリング１８の弾性変形によって吸収緩和されることになる。したがって、回転環６にこれを変形させるような軸線方向力及び／又は径方向力が作用したときにも、シール面６ａ，８３ａの平行性が損なわれることがない。

さらに、回転環６が、従来シールのように回転軸２に固定されておらず、第一Ｏリング１７の弾性変形範囲で軸線方向変位が許容される状態で回転軸２に保持されていることから、流体圧力が極めて高く静止環４に作用する背圧が高い場合にも、冒頭で述べた接面荷重Ｗ_１ ，Ｗ_２ が、第一Ｏリング１７の弾性変形によって吸収される分、小さくなり、従来シールのように回転環６が回転軸２固定されている場合に比して大幅に減少することになる。その結果、押圧面４ａ，８２ａ間及びシール面６ａ，８３ａ間の最大静止摩擦力が小さくなって、流体圧力が高く且つ大きく変動する条件下においても、冒頭で述べた如く遊動環８が傾いてシール面６ａ，８３ａが外径当たり状態（例えば図３（Ｂ）に示す状態）や内径当たり状態（例えば図４（Ｅ）に示す状態）になったりすることがなく、シール面６ａ，８３ａの平行性が維持されて良好なシール機能が発揮されることになる。

すなわち、遊動環８と静止環４及び回転環６との接触部分における最大静止摩擦力は接面荷重Ｗ_１ ，Ｗ_２ と静止摩擦係数との積で与えられるから、接面荷重Ｗ_１ ，Ｗ_２ が小さい場合には、静止環４の押圧面４ａを上記した低摩擦性材膜４１で構成しておくことにより押圧面４ａ，８２間の静摩擦係数（μ´）がシール面６ａ，８３ａ間の静摩擦係数（μ）より小さくなることとも相俟って、押圧面４ａ，８２ａ間の第一最大静止摩擦力μ´・Ｗ_１ とシール面６ａ，８３ａ間の第二最大静止摩擦力μ・Ｗ_２ とが、その間に大きな差を生じず、同等ないし近似することになる。したがって、被密封流体領域Ａが昇圧状況下にある場合においては、流体圧力の上昇により、遊動環シール面８３ａに作用する第二摩擦力Ｆ_２ が第二最大静止摩擦力μ・Ｗ_２ に達して、シール面６ａ，８３ａ間に滑りを生じたときには、これと同時に或いは僅かな時間差をもって、遊動環押圧面８２ａに作用する第一摩擦力Ｆ_１ も第一最大静止摩擦力μ´・Ｗ_１ に達して、押圧面４ａ，８２ａ間に滑りが生じることになる。その結果、遊動環８が全く傾かないか、傾いたとしても直ちに復元されることになり、シール面６ａ，８３ａが図３（Ｂ）に示す如き内径当たり状態とならない。すなわち、遊動環１と静止環４及び回転環６との相対位置が、例えば図３（Ａ）に示す全面当たり状態から同図（Ｃ）に示す全面当たり状態へと変化するにすぎず、シール面６ａ，８３ａの平行性が維持されることになる。また、被密封流体領域Ａが降圧状況下にある場合においても、同様に、流体圧力の下降により、遊動環シール面８３ａに作用する第二摩擦力ｆ_２ が第二最大静止摩擦力−μ・Ｗ_２ に達して、シール面６ａ，８３ａ間に滑りを生じたときには、これと同時に或いは僅かな時間差をもって、遊動環押圧面８２ａに作用する第一摩擦力ｆ_１ も第一最大静止摩擦力−μ´・Ｗ_１ に達して、押圧面４ａ，８２ａ間に滑りが生じることになる。したがって、上記した昇圧状況下におけると同様に、遊動環８が全く傾かないか、傾いたとしても直ちに復元されることになり、シール面６ａ，８３ａが図４（Ｅ）に示す如き外径当たり状態とならず、シール面６ａ，８３ａの平行性が維持されることになる。すなわち、遊動環１と静止環４及び回転１との相対位置が、例えば図４（Ｄ）に示す全面当たり状態から同図（Ｆ）に示す全面当たり状態へと変位するにすぎない。換言すれば、圧力変動によって生じる第一摩擦力Ｆ_１ ，ｆ_１ についてのスティックスリップサイクル（ピッチ）と第二摩擦力Ｆ_２ ，ｆ_２ についてのスティックスリップサイクル（ピッチ）とが同等ないし近似することによって、遊動環８と静止環４及び回転環６との接触抵抗バランスが保持されることになり、これによってシール面６ａ，８３ａの平行性が圧力変動に拘わらず維持されて、シール面の異常摩耗や異常漏れが防止されるのである。したがって、上記した如く回転環６を第一Ｏリング１７を介して軸線方向に弾性変位可能な状態に保持した遊動環形メカニカルシールによれば、流体圧力が極めて高く且つ圧力変動が大きい条件下においても、良好なシール機能が発揮されることになる。

さらに、静止環４の押圧面４ａを低摩擦性材膜４１で構成すると共に、その表面をＲｚ≦２μｍとなるようにラッピングしているから、押圧面４ａ，８２ａ間における静止摩擦係数μ´を、シール面６ａ，８３ａ間における静止摩擦係数μに対する比率μ´／μが接面荷重の逆比Ｗ_２ ／Ｗ_１ と同等ないしは近似するように、可及的に小さくすることができる。その結果、上記した遊動環８と静止環４及び回転環６との接触抵抗バランス保持によるシール面６ａ，８３ａの平行性維持が更に効果的に行なわれて、シール面６ａ，８３ａの異常摩耗や異常漏れをより確実に防止することができる。

また、回転環６が取り付けられる回転軸２又はスリーブ５の加工精度や組立精度が低いことや回転機器側からの熱によりスリーブ５が変形すること等により、回転環姿勢が不適正となって、シール面６ａ，８３ａの平行性が損なわれることがある。しかし、回転環６を上記した如くＯリング１７，１８で軸線方向及び径方向に変位可能に保持させておくと、回転環６の姿勢が遊動環８による押圧力によって是正されることなり、上記した精度不良等によってシール面６ａ，８３ａの平行性が損なわれるようなことがない。

なお、本発明の構成は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜に変更，改良することができる。例えば、回転環６を保持するＯリング１７，１８の数及び配置も、当該メカニカルシールの構成及びシール条件に応じて適宜に変更することができる。また、回転環６との間で滑りを生じるＯリング（第一Ｏリング１７）又は低摩擦性材膜４１の構成材も、ＰＴＦＥに限定されず、各環４，６，８の構成材との関係を考慮して、適宜に選定することができる。例えば、低摩擦性材膜４１の構成材として、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を使用することができる。

本考案に係る遊動環形メカニカルシールの一例を示した縦断側面図である。 図１の要部を拡大して示す詳細図である。 昇圧時における遊動環と回転環及び静止環との相対変位を示す説明図である。 降圧時における遊動環と回転環及び静止環との相対変位を示す説明図である。 遊動環の回転環及び静止環との接触面に作用する接面荷重及び摩擦力と流体圧力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…軸封部ケーシング、２…回転軸、３…シールケース、４…静止環、４ａ，８２ａ…押圧面（静止環と遊動環との接触面）、５…スリーブ、６…回転環、６ａ，８３ａ…シール面（回転環と遊動環との接触面）、７…スプリング、８…遊動環、９…セットプレート、１０…Ｏリング、１７…第一Ｏリング（回転環の径方向変位に対して滑りを生じるＯリング）、１８…第二Ｏリング（二次シールとして機能するＯリング）、４１…低摩擦性材膜、Ａ…被密封流体領域、Ｂ…非密封流体領域（大気領域）。

Claims (7)

1. 回転軸（２）に設けられた回転環（６）とシールケース（３）に軸線方向移動可能に且つ回転環方向に附勢された状態で設けられた静止環（４）との間に、遊動環（８）を静止環（４）に対する相対回転が阻止された状態で挟圧保持させてなる遊動環形メカニカルシールにおいて、
   回転環（６）が、第一Ｏリング（１７）を介して当該Ｏリング（１７）の弾性変形範囲において軸線方向に変位可能な状態で且つ第二Ｏリング（１８）を介して当該Ｏリング（１８）の弾性範囲において径方向に変位可能な状態で回転軸（２）に保持されており、
   第一Ｏリング（１７）は、回転環（６）に作用する軸線方向の押圧力を吸収緩和するクッション材として機能するものであって回転環（６）の径方向変位に対してはこれを妨げないように回転環（６）との間で滑りを生じる低摩擦性弾性材で構成されたものであり、
   第二Ｏリング（１８）は、回転環（６）の径方向変位に拘わらずこれと回転軸（２）との間をシールする二次シールとして機能するものであることを特徴とする遊動環形メカニカルシール。
2. 前記滑りを生じる第一Ｏリング（１７）がポリテトラフルオロエチレン製のものであることを特徴とする、請求項１に記載する遊動環形メカニカルシール。
3. 遊動環（８）と静止環（４）との接触面（４ａ，８２ａ）の少なくとも一方に低摩擦性材膜（４１）が被覆形成されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載する遊動環形メカニカルシール。
4. 低摩擦性材膜（４１）がポリテトラフルオロエチレン膜であることを特徴とする、請求項３に記載する遊動環形メカニカルシール。
5. 低摩擦性材膜（４１）の表面粗さが十点平均高さ２μｍ以下であることを特徴とする、請求項３又は請求項４に記載する遊動環形メカニカルシール。
6. 低摩擦性材膜（４１）の膜厚が１０〜２０μｍであることを特徴とする、請求項３、請求項４又は請求項５に記載する遊動環形メカニカルシール。
7. シールケース（３）及びこれに取り付けられる部材群からなる静止側密封要素と回転軸（２）に挿通固定されるスリーブ（５）及びこれに取り付けられる部材群からなる回転側密封要素とを、静止環（４）と回転環（６）との間に遊動環（８）を挟圧保持させた状態で、着脱自在なセットプレート（９）により一体連結しうるように構成したカートリッジ形のメカニカルールであることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６に記載する遊動環形メカニカルシール。